Glucose dynamics in rat skeletal muscle : recovery from osmotic stress

The purpose of this study was to examine cell glucose kinetics in rat skeletal muscle during iso-osmotic recovery from hyper- and hypo-osmotic stress. Rat EDL muscles were incubated for sixty minutes in either HYPO (190 mmol/kg), ISO (290 mmol/kg), or HYPER (400 mmol/kg) media (Sigma medium-199, 8 mM glucose) according to an established in vitro whole muscle model. In addition to sixty minute baseline measures in aniso-osmotic conditions, (HYPO-0 n=8; ISO- 0, n=S; HYPER-0, n=8), muscles were subjected to either one minute (HYPO-1 n=8; ISO-1, n=8; HYPER-1, n=8) or five minutes (HYPO-5 n=8; ISO-5, n=8; HYPER-5, n=8) of iso-osmotic recovery media and analyzed for metabolite content and glycogen synthase percent activation. To determine glucose uptake during iso-osmotic recovery, muscles (n=6 per group) were incubated for sixty minutes in either hypo-, iso-, or hyper-osmotic media immediately followed by five minutes of iso-osmotic media containing 3H-glucose and 14 C-mannitol. Increased relative water content/decreased [glucose] (observed in HYPO-0) and decreased water content/increased [glucose] (observed in HYPER-0) returned to ISO levels within 5 minutes of recovery. Glycogen synthase percent activation increased significantly in HYPO-5 over iso-osmotic controls. Glucose uptake measurements revealed no significant differences between groups. It was determined that [glucose] and muscle water content rapidly recovered from osmotic stress demonstrating skeletal muscle's resilience to osmotic stress.

Effects of intracerebroventricular bombesin administration on local cerebral glucose utilization in the restrained and unrestrained rat

Intracerebroventricular (ICV) administration of bombesin (BN) induces a syndrome characterized by stereotypic locomotion and grooming, hyperactivity and sleep elimination, hyperglycemia and hypothermia, hyperhemodynamics, feeding inhibition, and gastrointestinal function changes. Mammalian BN-like peptides (MBNs), e.g. gastrin-releasing peptide (GRP), Neuromedin C (NMC), and Neuromedin B (NMB), have been detected in the central nervous system. Radio-labeled BN binds to specific sites in discrete cerebral regions. Two specific BN receptor subtypes (GRP receptor and NMB receptor) have been identified in numerous brain regions. The quantitative 2-[14C]deoxyglucose ([14C]20G) autoradiographic method was used to map local cerebral glucose utilization (LCGU) in the rat brain following ICV injection of BN (vehicle, BN O.1Jlg, O.5Jlg). At each dose, experiments were conducted in freely moving or restrained conditions to determine whether alterations in cerebral function were the result of BN central administration, or were the result of BN-induced motor stereotypy. The anteroventral thalamic nucleus (AV) (p=O.029), especially its ventrolateral portion (AVVL) (prates of metabolism under both restraint conditions. The effect was treatment dependent without interaction of the restraint conditions. Of all the regions that were reported to have high densities of BN receptors, the internal granular layer of the olfactory bulb (IGr) (p=O.028), and the suprachiasmatic nucleus (SCh) (p=O.003) exhibited BN treatment effects. BN effects on LCGU were also observed in the median eminence (ME) (p=O.011). Restraint, however, decreased LCGU in the lateral dorsal thalamic nucleus, ventrolateral and dorsomedial parts (LOVL and LOOM) (p=O.044, p=O.009), and the lateral geniculate (LG) (p=O.027). In sum, BN induced a marked and highly localized alteration in cerebral metabolism within parts of the anterior thalamus, which is the principle relay in the limbic circuitry. BN effects were also observed in IGr, Mi, SCh, and ME. Effects of restraint were found in LOVL, LOOM, and LG. It is suggested that increased LCGU in AV and AVVL may be the result of functional change in the limbic circuitry and the hypothalamus caused by BN receptor functional modification. In IGr, increased LCGU following BN administration is considered to be mainly the result the activation of NMB receptor, a subtype of BN receptors. In SCh, increased LCGU is believed to be caused both by BN effects on the thalamic, the hypothalamic, and the limbic functions and by activation of GRP receptor, another BN receptors subtype found in SCh. In ME, increased LCGU is suggested to be caused by BN effects on the hypothalamic functions, especially those related to the neuroendocrine functions. None of the alterations seen in these regions reflects the emission of stereotyped motor behaviors. Rather, they reflect a direct influence of BN central administration upon functioning of the cerebral regions influenced by BN administration. The restraint effects seen in LO, including LOOM and LOVL, are suggested to be the result of altered behavioral expression. The restraint effects seen in LG is suggested to be the result of reduced locomotion.

Sarcolemmal lipid analysis from mechanically skinned rat muscle fibres.

Membrane lipid composition, which includes phospholipid (PL) headgroup, and fatty acid (FA) saturation, has been shown to affect cellular function. The sarcolemma (SL) membrane is integral to skeletal muscle function and health. Previous studies assessing SL lipid composition are limited as they have 1) restricted analysis to a PL level and neglected FA composition and 2) relied on aggressive membrane isolation procedures resulting in t-tubule and sarcoplasmic reticulum contamination and unknown levels of nuclear and mitochondrial contamination. Thus, to overcome these limitations, this study assessed a method of individually skinned skeletal muscle fibres as an alternative to analyze complete sarcolemmal membrane lipid composition. The major findings of this study were 1) complete SL lipid composition can be obtained 2) the SL had higher sphingomyelin content than previous studies and 3) the SL membrane had minimal nuclear and mitochondrial contamination and was void of contamination from sarcoplasmic reticulum and t-tubules.

Protein Turnover in Rat Skeletal Muscle During In Vitro Hypo-Osmotic Stress

Hypo-osmolality influences tissue metabolism, but research on protein turnover in skeletal muscle is limited. The purpose of this investigation was to examine the effects of hypo-osmotic stress on protein turnover in rat skeletal muscle. We hypothesized increased protein synthesis and reduced degradation following hypo-osmotic exposure. EDL muscles (n=8/group) were incubated in iso-osmotic (290 Osm/kg) or hypo-osmotic (190 Osm/kg) modified medium 199 (95% O2, 5% CO2, pH 7.4, 30±2 °C) for 60 min, followed by 75 min incubations with L-U[14C]phenylalanine or cycloheximide to determine protein synthesis and degradation. Immunoblotting was performed to assess signalling pathways involved. Phenylalanine uptake and incorporation were increased by 199% and 169% respectively in HYPO from ISO (p < 0.05). This was supported by elevated phosphorylation of mTOR Ser2448 (+12.5%) and increased Thr389 phosphorylation on p70s6 kinase (+23.6%) (p < 0.05). Hypo-osmotic stress increased protein synthesis and potentially amino acid uptake. Future studies should examine the upstream mechanisms involved.

Investigation of the role of the nucleus accumbens in amphetamine-induced 50 kHz ultrasonic vocalizations in the rat

There is extensive evidence that the mesolimbic dopamine system underlies the production of 50 kHz ultrasonic vocalizations in rats. In particular, the shell of the nucleus accumbens is associated with generation of frequency modulated 50 kHz calls (a specific type of 50 kHz call which can be subdivided into various subtypes). There is also evidence that amphetamine administered systemically preferentially increases the proportion of trill and step calls compared to other frequency modulated 50 kHz subtypes. The purpose of this study was to investigate the effect of drug administration route and the role of the nucleus accumbens shell in amphetamine-induced 50 kHz call profile in the rat. Three experiments investigated this by using subcutaneous and intra-accumbens microinjections of amphetamine, as well as procaine (a local anesthetic) blockade of the nucleus accumbens. Ultrasonic vocalizations were recorded digitally from 24 rats and were analysed for sonographic structure based on general call parameters. The results of the three experiments were partially supportive of the hypotheses. Systemic amphetamine was found to induce greater bandwidth in 50 kHz calling compared to spontaneous calls in a vehicle condition. Systemic amphetamine was also found to preferentially increase the proportion of trill and step subtypes compared to vehicle. Moreover, there was no difference in the proportions of 50 kHz subtypes resulting from intracerebral or systemic application of amphetamine. There was, however, a significant difference for bandwidth, with systemic amphetamine inducing greater bandwidth over intraaccumbens application. Procaine blockade of the nucleus accumbens shell paired with subcutaneous amphetamine produced no difference in bandwidth of calls compared with those after a vehicle pre-treatment similarly paired. There was no reduction in the proportions of trill and step 50 kHz subtypes as well, with the procaine condition showing significantly greater proportion of step calls. The results of the study support a role for the iii nucleus accumbens shell in the amphetamine-induced changes on 50 kHz call profile. They also indicate there are more regions and pathways involved in generating 50 kHz calls than the projections from the ventral tegmental area to the nucleus accumbens. The implications of this work are that frequency modulated 50 kHz subtypes may be generated by distinct neurophysiological mechanisms and may represent a profitable avenue for investigating different circuits of 50 kHz call categories in the rat.

Changes in mitochondrial PLIN3 and PLIN5 protein content in rat skeletal muscle following acute contraction and endurance training

Surrounding lipid droplets in skeletal muscle are the perilipin (PLIN2-5) family of proteins, regulating lipid droplet metabolism. During exercise lipid droplets provide fatty acids to the mitochondria for oxidation while increasing their proximity to each other. Whether PLIN3 and PLIN5 associate with mitochondria following contraction has not been examined. To determine whether contraction altered mitochondrial PLIN3 and PLIN5 content, sedentary and endurance trained rats underwent acute contraction. The main outcomes are; 1) mitochondrial PLIN3 content is unaltered while mitochondrial PLIN5 content is increased following an acute contraction 2) mitochondrial PLIN3 content is higher in endurance trained rats when compared to sedentary and mitochondrial PLIN5 content is similar in both conditions 3) only PLIN5 mitochondrial content is increased similarly in both groups following acute contraction. This work highlights the dynamics of these two PLIN proteins, which may have roles not only on the lipid droplet but also on the mitochondria.

The effect of 17-B estradiol therapy on bone mineral density and structure of alveolar bone in the ovariectomized rat model of postmenopausal osteoporosis

The ovariectomized (OVX) rat, a preclinical model for studying postmenopausal bone loss, may also be used to study differences in alveolar bone (AB). The objectives of this study were to quantify the differences in AB following estrogen replacement therapy (ERT), and to investigate the relationship between AB structure and density, and trabecular bone at the femoral neck (FN) and third lumbar vertebral body (LB3). Estrogen treated rats had a higher bone volume fraction (BV/TV) at the AB region (9.8% P < 0.0001), FN (12% P < 0.0001), and LB3 (11.5% P < 0.0001) compared to the OVX group. BV/TV of the AB was positively correlated with the BV/TV at the FN (r = 0.69 P < 0.0001) and the LB3 (r = 0.75 P < 0.0001). The trabecular number (Tb.N), trabecular separation (Tb.Sp), and structure model index (SMI) were also positively correlated (P < 0.05) between the AB and FN (r = 0.42, 0.49, and 0.73, respectfully) and between the AB and LB3 (r = 0.44, 0.63, and 0.69, respectfully). Given the capacity of AB to respond to ERT, future preclinical drug/nutritional intervention studies aimed at improving skeletal health should include the AB as a region of interest (ROI).

Higher PLIN5 but not PLIN3 content in isolated skeletal muscle mitochondria following acute in vivo contraction in rat hindlimb

Contraction-mediated lipolysis increases the association of lipid droplets and mitochondria, indicating an important role in the passage of fatty acids from lipid droplets to mitochondria in skeletal muscle. PLIN3 and PLIN5 are of particular interest to the lipid droplet–mitochondria interaction because PLIN3 is able to move about within cells and PLIN5 associates with skeletal muscle mitochondria. This study primarily investigated: 1) if PLIN3 is detected in skeletal muscle mitochondrial fraction; and 2) if mitochondrial protein content of PLIN3 and/or PLIN5 changes following stimulated contraction. A secondary aim was to determine if PLIN3 and PLIN5 associate and whether this changes following contraction. Male Long Evans rats (n = 21;age, 52 days; weight = 317 6 g) underwent 30 min of hindlimb stimulation (10 msec impulses, 100 Hz/3 sec at 10–20 V; train duration 100 msec). Contraction induced a ~50% reduction in intramuscular lipid content measured by oil red-O staining of red gastrocnemius muscle. Mitochondria were isolated from red gastrocnemius muscle by differential centrifugation and proteins were detected by western blotting. Mitochondrial PLIN5 content was ~1.6-fold higher following 30 min of contraction and PLIN3 content was detected in the mitochondrial fraction, and unchanged following contraction. An association between PLIN3 and PLIN5 was observed and remained unaltered following contraction. PLIN5 may play a role in mitochondria during lipolysis, which is consistent with a role in facilitating/regulating mitochondrial fatty acid oxidation. PLIN3 and PLIN5 may be working together on the lipid droplet and mitochondria during contraction-induced lipolysis.

Pharmacological analysis of 50 kHz vocalizations in the male rat

The production of 50 kHz ultrasonic vocalizations in rats has been associated with both positive social interactions and appetitive behavioural situations. Furthermore, there is significant evidence showing that these vocalizations are controlled by the meso-limbic dopamine system. The purpose of this study was to perform a pharmacological analysis of 50 kHz calls by using dopamine and two dopamine agonists amphetamine and apomorphine, to induce calls. The acoustic parameters of the different call types were compared across each agonist. All three agonists were able to significantly induce more 50 kHz vocalizations compared to the vehicle control. Furthermore, calls elicited by apomorphine had a significantly higher bandwidth compared to those elicited by dopamine and amphetamine. All three agonists also had significantly different pharmacokinetic properties. These observations suggest that the D2 receptor sub-type is involved in the length of call bandwidths.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

La transplantation d’hépatocytes chez le rat Long Evans Cinnamon, modèle animal de la maladie de Wilson

La maladie de Wilson est une maladie héréditaire due à un déficit du transporteur du cuivre, l’ATP7B. Cette maladie se présente sous forme d’insuffisance hépatique aiguë ou chronique, pour lesquels le traitement médical actuel consiste en l’administration d’agents chélateurs, ce qui ne résulte cependant pas en une guérison complète de la maladie. La transplantation orthotopique du foie est le seul traitement définitif actuellement, avec tous les désavantages qu’elle comporte. Un traitement alternatif à cette option est donc souhaitable. Cette étude porte sur la faisabilité de la transplantation d’hépatocytes chez le modèle animal de la maladie de Wilson, le rat Long Evans Cinnamon (LEC), avec pour buts d’en déterminer la sécurité et l’efficacité tant sur le plan clinique (amélioration de la survie, prévention de l’hépatite) que pathologique. Douze rats LEC ont reçu une injection intrasplénique de 2,6 x 105 – 3,6 x 107 hépatocytes prélevés chez des rats donneurs de souche LE. Ils ont été suivis durant 6 mois puis sacrifiés. Ils ont ensuite été comparés à un groupe contrôle de douze autres rats LEC. Aucune différence significative n’a été notée au niveau du poids, du bilan hépatique et des concentrations de cuivre biliaire et hépatique. Cependant, une amélioration de l’activité oxydase de la céruloplasmine post-transplantation a été démontrée chez le groupe de rats transplantés (49,6 ± 31,5 versus 8,9 ± 11,7). Les rats transplantés ont aussi eu une amélioration sur tous les critères histologiques étudiés. Enfin, l’ARNm de l’atp7b a été retrouvé chez 58% des rats transplantés avec un taux d’expression de 11,9% ± 13,6 par rapport à un rat LE normal. L’immunohistochimie a quant à elle démontré la présence de l’atp7b chez tous les rats transplantés. Les résultats obtenus sont considérés favorables à ce traitement alternatif, et indiquent que la transplantation d’hépatocytes est une technique sécuritaire qui peut contribuer à renverser le processus pathologique en cours dans la maladie de Wilson.

Identification des canaux TRPC impliqués dans la potentialisation à long terme des interneurones de la région CA1 de l'hippocampe chez le rat

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT.

Mécanismes de plasticité synaptique dans l’amygdale lors de la réactivation de la mémoire de peur auditive chez le rat : interaction dynamique des récepteurs NMDA et AMPA

La plasticité synaptique est une propriété indispensable à l’acquisition de la mémoire chez toutes les espèces étudiées, des invertébrés aux primates. La formation d’une mémoire débute par une phase de plasticité qui inclut une restructuration synaptique ; ensuite elle se poursuit par la consolidation de ces modifications, contribuant à la mémoire à long terme. Certaines mémoires redeviennent malléables lorsqu’elles sont rappelées. La trace mnésique entre alors dans une nouvelle de phase de plasticité, au cours de laquelle certaines composantes de la mémoire peuvent être mises à jour, puis reconsolidées. L’objectif de la présente thèse est d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sont activés lors du rappel d’une mémoire. Nous avons utilisé un modèle de conditionnement Pavlovien, combiné à l’administration d’agents pharmacologiques et à l’analyse quantitative de marqueurs de plasticité synaptique, afin d’étudier la dynamique de la mémoire de peur auditive chez des rats Sprague Dawley. La circuiterie neuronale et les mécanismes associatifs impliqués dans la neurobiologie de cette mémoire sont bien caractérisés, en particulier le rôle des récepteurs glutamatergiques de type NMDA et AMPA dans la plasticité synaptique et la consolidation. Nos résultats démontrent que le retour de la trace mnésique à un état de labilité nécessite l’activation des récepteurs NMDA dans l’amygdale baso-latérale à l’instant même du rappel, alors que les récepteurs AMPA sont requis pour l’expression comportementale de la réponse de peur conditionnée. D’autre part, les résultats identifient le rappel comme une phase bien plus dynamique que présumée, et suggèrent que l’expression de la peur conditionnée mette en jeu la régulation du trafic des récepteurs AMPA par les récepteurs NMDA. Le présent travail espère contribuer à la compréhension de la neurobiologie fondamentale de la mémoire. De plus, il propose une intégration des résultats aux modèles animaux d’étude des troubles psychologiques conséquents aux mémoires traumatiques chez l’humain, tels que les phobies et les syndromes de stress post-traumatiques.

Les effets d’un traitement au corticostérone sur la transmission dopaminergique mésocorticale du rat en période de stress

L’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien joue un rôle essentiel dans l’adaptation et la réponse au stress. Toutefois, l’hyperactivation de cet axe ou des niveaux chroniquement élevés de glucocorticoïdes (GC) entraînent des conséquences pathologiques. Le système dopaminergique mésocortical, qui se projette dans le cortex préfrontal médian (CPFm), joue un rôle adaptatif en protégeant contre le stress. Jusqu’à présent, les interactions fonctionnelles entre les GC (ex : corticostérone) et le système dopaminergique mésocortical ne sont pas élucidées. Dans ce mémoire, nous avons évalué les effets des GC sur les fonctions dopaminergiques préfrontales en élevant chroniquement, à l’aide de minipompes osmotiques, les niveaux de corticostérone aux concentrations physiologiques maximales (1 mg/kg/h pendant 7 jours). Ce traitement n’a pas modifié significativement, chez les rats stressés ou non, les niveaux post mortem de dopamine et de son métabolite dans le tissu du CPFm. Toutefois, l’évaluation par voltamétrie in vivo des changements de dopamine extracellulaire dans le CPFmv a permis d’observer que la corticostérone augmente significativement la libération de dopamine en réponse à l’exposition à l’odeur de renard et au pincement de la queue. Nos études nous permettent de conclure que la corticostérone potentialise la fonction dopaminergique mésocorticale qui, à son tour, facilite la régulation négative en période de stress.

Caractérisation de la pharmacocinétique suite à l’exposition multivoie au toluène, au n-hexane et au cyclohexane chez le rat

La contribution de l’inhalation et de la voie percutanée à l’exposition totale à des composés organiques volatils (COV) présents dans l’eau potable est une problématique qui suscite un intérêt grandissant en santé publique et au niveau réglementaire. Jusqu’à tout récemment, seule l’ingestion était considérée dans l’évaluation du risque des contaminants de l’eau. L’objectif de ce projet était de caractériser l’impact de l’exposition multivoie sur la pharmacocinétique et la dose interne de trois COV : le toluène (TOL), le n-hexane (HEX) et le cyclohexane (CYCLO). À cette fin, un modèle expérimental animal a été utilisé et un modèle toxicocinétique à base physiologique (TCBP) a été adapté pour le TOL. Des rats Sprague-Dawley ont été exposés par voies uniques (inhalation, orale et percutanée) ou simultanées (multivoie) aux solvants. Pour le TOL, les trois voies ont été expérimentées, alors que la voie percutanée n’a pas été retenue pour le HEX et le CYCLO. Des prélèvements sanguins ont permis de caractériser les cinétiques sanguines. Les niveaux sanguins, obtenus lors des expositions multivoies, étaient généralement plus élevés que la somme des niveaux associés aux expositions par voies uniques, fait illustré par le rapport des surfaces sous la courbe expérimentale versus les prédictions (TOL : 1,30 et 2,19 ; HEX : 1,55 ; CYCLO : 0,98 et 0,99). Le modèle TCBP prédit bien la cinétique du TOL lors d’expositions par voies uniques et par multivoies. Les données expérimentales obtenues suggèrent que la dose interne résultant d’une exposition multivoie ne peut pas toujours être prédite par la somme des doses internes obtenues lors d’expositions par voies uniques. Ce phénomène serait explicable par la saturation du métabolisme. La modélisation TCBP est un outil efficace pour l’estimation du risque relatif à l’exposition multivoie aux COV présents dans l’eau potable.